氨基链修饰氧化石墨烯/环氧树脂界面性能的分子动力学模拟

摘要

目的对氨基链修饰氧化石墨烯与DGEBA/3,3′-DDS环氧树脂复合材料界面的形成过程和性能进行理论研究,为环氧树脂涂层的性能改性提供理论依据。方法利用Materials Studio 2019软件的Amorphous Cell模块建立了复合材料界面模型,采用分子动力学模拟方法对界面的结构、能量变化、界面处基团运动过程、界面处浓度分布和界面结合能进行计算,确立了表面氨基链修饰氧化石墨烯与环氧树脂复合材料界面的形成机制。结果复合材料界面的温度和能量经过初始模拟阶段(t<50 ps)后在小范围内震荡,体系处于动力学平衡状态。界面的形成过程经历了竖直方向的靠近运动、小范围内的震荡平衡和层间相互切向运动3个阶段,主要是氧化石墨烯表面的羧基和环氧树脂内部包含反应碳原子的分子链段之间相互作用。表面氨基链修饰氧化石墨烯浓度峰呈单一的峰,环氧树脂浓度峰含有多个峰值,界面厚度为0.82 nm。界面间的相互作用主要体现为氧化石墨烯表面官能团与环氧树脂分子间存在的范德华力,计算得界面作用能为27.596 kcal/mol。结论表面氨基链修饰氧化石墨烯表面羧基与环氧树脂间相互作用的强弱决定了界面性能的优劣,从而直接影响复合材料的力学性能。分子动力学模拟可作为环氧树脂涂层改性研究行之有效的方法,为改性增强剂的选择提供理论依据。